(57)【要約】【課題】電界アシスト法を用い、吐出面がフラットで、かつ低電圧の静電電圧の印加で効果的に電界集中を生じ効率良く液体を吐出することができ、微細パターン形成および高粘度の液体の吐出が可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置および液体吐出方法を提供する。【解決手段】液体吐出ヘッド２は、ノズル１０と、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上でフラットなノズルプレート１１と、液体Ｌを貯蔵するキャビティ２１と、ノズル１０内の液体Ｌを加圧して吐出孔１３にメニスカスを形成する圧力発生手段２３と、ノズル１０とキャビティ２１内の液体Ｌと基材間に静電電圧を印加する静電電圧印加手段１９と、静電電圧印加手段１８による静電電圧の印加および圧力発生手段２３を駆動する駆動電圧の印加を制御する動作制御手段２５とを備え、ノズル１０の内周面１６に、ノズル内の液体Ｌがノズルプレート１１に吸収されることを防止する液体吸収防止層１７が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出するノズルと、
体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上でフラットなノズルプレートと、
前記ノズルの吐出孔から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、
前記ノズル内の液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成する圧力発生手段と、
前記ノズルおよび前記キャビティ内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、
前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加および前記圧力発生手段を駆動する駆動電圧の印加を制御する動作制御手段と
を備え、
前記ノズルの内周面に、前記ノズル内の液体が前記ノズルプレートに吸収されることを防止する液体吸収防止層が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記液体吸収防止層は、ダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記液体吸収防止層の表面に、液体の帯電用電極が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記液体吸収防止層は、前記ノズルプレートの吐出面にも形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記液体吸収防止層は、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記液体吸収防止層は、その厚さが０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記ノズルプレートの吐出面に撥液層が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
前記請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極と
を備え、
前記液体吐出ヘッドと前記対向電極との間に生じる前記静電吸引力と前記ノズル内に生じる圧力とにより前記液体を吐出することを特徴とする液体吐出装置。
【請求項９】
前記圧力発生手段による圧力により前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させ、前記静電吸引力により液体を吐出させることを特徴とする請求項８に記載の液体吐出装置。
【請求項１０】
体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上でフラットなノズルプレートと、内周面に液体が前記ノズルプレートに吸収されることを防止する液体吸収防止層が形成されたノズルとを有する液体吐出ヘッドのノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧を印加して前記液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界を形成するとともに、圧力発生手段により前記ノズル内の液体に圧力を発生させ、前記電界による静電吸引力と前記圧力によりノズルの吐出孔に形成された液体のメニスカスに電界を集中させ、前記静電吸引力により液体を吸引して吐出させることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項１１】
体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上でフラットなノズルプレートと、内周面に液体が前記ノズルプレートに吸収されることを防止する液体吸収防止層が形成されたノズルとを有する液体吐出ヘッドのノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧を印加して前記液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界を形成するとともに、圧力発生手段により前記ノズル内の液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させて電界を集中させ、前記電界による静電吸引力により液体を吸引して吐出させることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項１２】
前記液体吸収防止層は、ダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の液体吐出方法。
【請求項１３】
前記液体吸収防止層の表面に、液体の帯電用電極が形成されていることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の液体吐出方法。
【請求項１４】
前記液体吸収防止層は、前記ノズルプレートの吐出面にも形成されていることを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか一項に記載の液体吐出方法。
【請求項１５】
前記液体吸収防止層は、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする請求項１４に記載の液体吐出方法。
【請求項１６】
前記液体吸収防止層は、その厚さが０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１０から請求項１５のいずれか一項に記載の液体吐出方法。
【請求項１７】
前記ノズルプレートの吐出面に撥液層が設けられていることを特徴とする請求項１０から請求項１６のいずれか一項に記載の液体吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置および液体吐出方法に係り、フラットノズルを有する電界集中型の液体吐出ヘッド、それを用いた液体吐出装置およびそれらを用いた液体吐出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェットでの画質の高精細化の進展および工業用途における適用範囲の拡大に伴い、微細パターン形成および高粘度のインク吐出の要請がますます強まっている。これらの課題を従来のインクジェット記録法で解決しようとすると、ノズルの微小化や高粘度のインク吐出による液吐出力の向上を図る必要が生じ、それに伴って駆動電圧が高くなり、ヘッドや装置のコストが非常に高価になってしまうため、実用に適う装置は実現されていない。
【０００３】
そこで、前記要請に応え、微小化されたノズルから低粘度のみならず高粘度の液滴を吐出させる技術として、ノズル内の液体を帯電させ、ノズルと液滴の着弾を受ける対象物となる各種の基材との間に形成される電界から受ける静電吸引力により吐出させるいわゆる静電吸引方式の液滴吐出技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、静電吸引方式の液滴吐出技術においてこのようなフラットな液体吐出ヘッドを用いる場合、ノズル内の液体や吐出孔部分のメニスカスへの電界集中の程度が小さく、必要な静電吸引力を得るために液体吐出ヘッドと基材との間に印加する電圧として非常に高い電圧を印加する必要があった。
【０００５】
そこで、この液滴吐出技術と、ピエゾ素子の変形や液体内部での気泡の発生による圧力を利用して液滴を吐出する技術とを組み合わせた、いわゆる電界アシスト法を用いた液滴吐出装置の開発が進んでいる（例えば、特許文献２〜５等参照）。この電界アシスト法は、メニスカス形成手段と静電吸引力を用いてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させることにより、メニスカスに対する静電吸引力を高め、液表面張力に打ち勝ってメニスカスを液滴化し吐出する方法である。
【特許文献１】国際公開第０３／０７０３８１号パンフレット
【特許文献２】特開平５−１０４７２５号公報
【特許文献３】特開平５−２７８２１２号公報
【特許文献４】特開平６−１３４９９２号公報
【特許文献５】特開２００３−５３９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電界アシスト法を用いたこれらの液体吐出装置は、従来のピエゾ方式やサーマル方式を用いたインクジェット記録法に比べ、吐出効率は良いが、電界による静電吸引力が最大限に活用されていないため、メニスカスの形成や液滴の吐出が効率的に行われておらず、微細パターン形成および高粘度のインク吐出の要請に応えようとすると、従来のインクジェット記録法と同様に、駆動電圧を高くする必要が生じ、ヘッドや装置のコストが高価になってしまうという問題があった。また、静電吸引力を高めるために印加電圧を上げると、ヘッドと基材間で絶縁破壊が発生してしまい装置を駆動できない場合が生じるという問題もあった。
【０００７】
電界アシスト法を用いたこれらの液体吐出装置において、液体を吐出するノズルが設けられた液体吐出ヘッドとしてフラットな液体吐出ヘッドを用いた場合、構造が単純であるために生産性に優れ、また、液体吐出ヘッドのクリーニング時における吐出面のワイピングの際にワイパにノズルが引っ掛からないという大きな利点がある。
【０００８】
しかし、ピエゾ素子の変形等で圧力を発生させてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させ、隆起させたメニスカスに選択的に電界集中させて静電吸引力により液体を吐出させる電界アシスト法を用いた液体吐出装置の場合も、電界集中が小さいためにメニスカスを形成するうえで静電吸引力によるメニスカスを引き出す作用が小さく、結果的にピエゾ素子等の圧電素子アクチュエータよりなる圧力発生手段に高い電圧を印加する必要があるという問題があった。
【０００９】
なお、本発明において、フラットなノズルやノズルプレート、液体吐出ヘッドとは、ノズルプレートの吐出面からのノズルの突出が３０μｍ以下のものを意味し、前記ワイピングの際に破損等の支障を生じることがなく、ノズルの突出が小さく突出による電界集中効果が期待できないものをいう。
【００１０】
そこで、このフラットな液体吐出ヘッドの問題点を解消するため、電界アシスト法を用いた液体吐出装置では、液体吐出ヘッドのノズルプレートから吐出面側にノズルを避雷針状に突出させ、ノズルの突起先端に電界を集中させてノズルの吐出効率を高めた液体吐出ヘッドが用いられることが多い。
【００１１】
しかし、液体吐出ヘッドのノズルプレートから吐出面側に高さ数十μｍ程度の避雷針状のノズルを多数立設させなければならないため、構造が複雑になり生産性が低下する。また、液体吐出ヘッドのクリーニング時に立設されたノズルが折れるなど操作性に劣るという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、メニスカス隆起量を制御し吐出制御する電界アシスト法を用い、吐出面がフラットで、メニスカス形成駆動を低電圧でスイッチングでき、かつ低電圧の静電電圧の印加で効果的に電界集中を生じ効率良く液体を吐出することができ、それによって微細パターン形成および高粘度の液体の吐出が可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置および液体吐出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の問題を解決するために、請求項１の液体吐出ヘッドは、
液体を吐出するノズルと、
体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上でフラットなノズルプレートと、
前記ノズルの吐出孔から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、
前記ノズル内の液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成する圧力発生手段と、
前記ノズルおよび前記キャビティ内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、
前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加および前記圧力発生手段を駆動する駆動電圧の印加を制御する動作制御手段と
を備え、
前記ノズルの内周面に、前記ノズル内の液体が前記ノズルプレートに吸収されることを防止する液体吸収防止層が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上で吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成されるとともに、圧力発生手段によりノズル内の液体に圧力が加えられてノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、そのメニスカスに電界が集中されて、メニスカスが電界による静電吸引力により吸引されて液滴化して吐出される。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体吸収防止層は、ダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、ノズルの内周面にダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体吸収防止層の表面に、液体の帯電用電極が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、液体吸収防止層の表面に帯電用電極が形成され、ノズル内の液体に印加される静電電圧が帯電用電極を介して印加される。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体吸収防止層は、前記ノズルプレートの吐出面にも形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、液体吸収防止層は、各ノズルの内周面のみならず、ノズルプレートの吐出面の全面を被覆するように形成される。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体吸収防止層は、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、各ノズルの内周面およびノズルプレートの吐出面に窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体吸収防止層は、その厚さが０．１μｍ以上であることを特徴とする。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、ノズルの内周面に厚さが０．１μｍ以上の液体吸収防止層が設けられる。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルプレートの吐出面に撥液層が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドのフラットな吐出面に、液体を弾く撥液層が設けられる。
【００２７】
請求項８に記載の液体吐出装置は、
前記請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極と
を備え、
前記液体吐出ヘッドと前記対向電極との間に生じる前記静電吸引力と前記ノズル内に生じる圧力とにより前記液体を吐出することを特徴とする。
【００２８】
請求項８に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上で吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成された電界と、圧力発生手段により加えられた圧力により、ノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、それによりメニスカス先端部に電界集中により強い電界強度が生じて液体が液滴化し、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。
【００２９】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の液体吐出装置において、前記圧力発生手段による圧力により前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させ、前記静電吸引力により液体を吐出させることを特徴とする。
【００３０】
請求項９に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上で吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に圧力発生手段により圧力を加えてノズルの吐出孔部分にメニスカスを隆起させ、それによりメニスカス先端部に電界集中により強い電界強度が生じて電界の静電吸引力によりメニスカスを引きちぎるようにして液滴化し、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。
【００３１】
請求項１０に記載の液体吐出方法は、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上でフラットなノズルプレートと、内周面に液体が前記ノズルプレートに吸収されることを防止する液体吸収防止層が形成されたノズルとを有する液体吐出ヘッドのノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧を印加して前記液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界を形成するとともに、圧力発生手段により前記ノズル内の液体に圧力を発生させ、前記電界による静電吸引力と前記圧力によりノズルの吐出孔に形成された液体のメニスカスに電界を集中させ、前記静電吸引力により液体を吸引して吐出させることを特徴とする。
【００３２】
請求項１０に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上で吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成された電界と、圧力発生手段により加えられた圧力により、ノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、それによりメニスカス先端部に電界集中により強い電界強度が生じて液体が液滴化し、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。
【００３３】
請求項１１に記載の液体吐出方法は、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上でフラットなノズルプレートと、内周面に液体が前記ノズルプレートに吸収されることを防止する液体吸収防止層が形成されたノズルとを有する液体吐出ヘッドのノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧を印加して前記液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界を形成するとともに、圧力発生手段により前記ノズル内の液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させて電界を集中させ、前記電界による静電吸引力により液体を吸引して吐出させることを特徴とする。
【００３４】
請求項１１に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上で吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に圧力発生手段により圧力を加えてノズルの吐出孔部分にメニスカスを隆起させ、それによりメニスカス先端部に電界集中により強い電界強度が生じて電界の静電吸引力によりメニスカスを引きちぎるようにして液滴化し、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。
【００３５】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０または請求項１１に記載の液体吐出方法において、前記液体吸収防止層は、ダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする。
【００３６】
請求項１２に記載の発明によれば、ノズルの内周面にダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。
【００３７】
請求項１３に記載の発明は、請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の液体吐出方法において、前記液体吸収防止層の表面に、液体の帯電用電極が形成されていることを特徴とする。
【００３８】
請求項１３に記載の発明によれば、液体吸収防止層の表面に帯電用電極が形成され、ノズル内の液体に印加される静電電圧が帯電用電極を介して印加される。
【００３９】
請求項１４に記載の発明は、請求項１０から請求項１３のいずれか一項に記載の液体吐出方法において、前記液体吸収防止層は、前記ノズルプレートの吐出面にも形成されていることを特徴とする。
【００４０】
請求項１４に記載の発明によれば、液体吸収防止層は、各ノズルの内周面のみならず、ノズルプレートの吐出面の全面を被覆するように形成される。
【００４１】
請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の液体吐出方法において、前記液体吸収防止層は、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする。
【００４２】
請求項１５に記載の発明によれば、各ノズルの内周面およびノズルプレートの吐出面に窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。
【００４３】
請求項１６に記載の発明は、請求項１０から請求項１５のいずれか一項に記載の液体吐出方法において、前記液体吸収防止層は、その厚さが０．１μｍ以上であることを特徴とする。
【００４４】
請求項１６に記載の発明によれば、ノズルの内周面に厚さが０．１μｍ以上の液体吸収防止層が設けられる。
【００４５】
請求項１７に記載の発明は、請求項１０から請求項１６のいずれか一項に記載の液体吐出方法において、前記ノズルプレートの吐出面に撥液層が設けられていることを特徴とする。
【００４６】
請求項１７に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドのフラットな吐出面に、液体を弾く撥液層が設けられる。
【発明の効果】
【００４７】
請求項１に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上で吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成されるとともに、圧力発生手段によりノズル内の液体に圧力が加えられてノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、そのメニスカスに電界が集中されて、メニスカスが電界による静電吸引力により吸引されて液滴化して吐出される。
【００４８】
このように、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上の材料からなるノズルプレートが用いられるため、メニスカスの先端部の電界強度を３×１０７Ｖ／ｍ以上とすることができ、液滴を安定的に吐出することが可能となる。
【００４９】
また、ノズルの内周面に液体吸収防止層を設けることにより、ノズルプレートがノズル内の液体に直接接することが防止され、液体吸収防止層によりノズルプレートへのノズル内の液体の吸収が有効に阻止される。そのため、液体の吸収率がある程度高いノズルプレートであってもその電気伝導度を高まることがなく、ノズルプレートの体積抵抗率の値が低下することを有効に防止することができ、メニスカスに電界集中を効率良く生じさせることができる。
【００５０】
その結果、液体の吸収率がある程度高いノズルプレートにおいて、液体に印加する静電電圧や圧力発生手段に印加する駆動電圧が低電圧であっても、メニスカスに電界を効率良く集中することができる。そのため、ノズル径が微細であったり、液体が高粘度であっても液体を効果的に吐出することが可能となる。
【００５１】
さらに、液体吐出ヘッドがフラットなヘッドとされているから、液体吐出ヘッドのクリーニング時に吐出面にブレードやワイパ等の部材が接触してもノズルが損傷する等の事態が生じることがなく、操作性に優れる。また、液体吐出ヘッドの製造においてもノズルの突起等の微細構造を形成する必要がなく構造が単純であるから、容易に製造することが可能で生産性に優れる。
【００５２】
請求項２および請求項１２に記載の発明によれば、ノズルの内周面にダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。これらの材質は液体の吸収防止性に優れるため、前記請求項１に記載の発明の効果が発揮されるとともに、プラズマイオンプレーティングやプラズマＣＶＤ、ＦＣＶＡ法等の公知の手法により比較的容易に液体吸収防止層を形成することが可能となる。
【００５３】
請求項３および請求項１３に記載の発明によれば、液体吸収防止層の表面に帯電用電極が形成され、ノズル内の液体に印加される静電電圧が帯電用電極を介して印加される。そのため、帯電用電極は、液体吸収防止層の表面上をノズルの吐出孔部分まで延在するように形成できるから、静電電圧の印加によりノズル内の液体のみならず吐出孔部分のメニスカスまで十分に帯電させることが可能となり、前記各請求項に記載の発明の効果をより有効に発揮することが可能となる。
【００５４】
請求項４および請求項１４に記載の発明によれば、液体吸収防止層は、各ノズルの内周面のみならず、ノズルプレートの吐出面の全面を被覆するように形成されるため、吐出面側からノズルプレートに液体が吸収することも有効に防止することが可能となり、前記各請求項に記載の発明の効果をより効果的に発揮させることができる。
【００５５】
請求項５および請求項１５に記載の発明によれば、各ノズルの内周面およびノズルプレートの吐出面に窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。窒化酸化シリコンや酸化シリコンは液体のノズルプレートへの吸収を有効に防止し得るため、前記各請求項に記載の発明の効果を有効に発揮できるとともに、窒化酸化シリコンや酸化シリコンの成膜法や蒸着法はよく知られた手法であることからノズルプレートの製造に適した成膜法により低コストで液体吸収防止層を形成することが可能となる。
【００５６】
また、後述するようにノズルプレートの吐出面に撥液層が設けられる場合に、吐出面の液体吸収防止層を窒化酸化シリコンや酸化シリコン等で形成しておけば、撥液層として撥液機能に優れるフルオロアルキルシラン膜を用いる際に密着性が良く、その結果、液体の吐出が安定するため、吐出安定性に優れるノズルプレートの製造が可能となる。
【００５７】
請求項６および請求項１６に記載の発明によれば、ノズルの内周面に厚さが０．１μｍ以上の液体吸収防止層が設けられることで、ノズル内の液体が液体吸収防止層を介してノズルプレートに吸収されることを十分有効に防止することができ、前記各請求項に記載の発明の効果を有効に発揮させることができる。
【００５８】
請求項７および請求項１７に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドのフラットな吐出面に、液体を弾く撥液層が設けられることで、ノズルの吐出孔部分に形成される液体のメニスカスが吐出孔の周囲の吐出面に広がることによるメニスカス先端部への電界集中の低下を効果的に防止することができ、前記各請求項に記載の発明の効果をより的確に発揮することが可能となる。
【００５９】
請求項８および請求項１０に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上で吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成された電界と、圧力発生手段により加えられた圧力により、ノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、それによりメニスカス先端部に電界集中により強い電界強度が生じて液体が液滴化し、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。
【００６０】
そのため、液滴は、電界からの静電吸引力の作用で、基材のより近い部分に着弾しようとするため、基材に対する着弾の際の角度等を安定させ、液滴を所定の着弾位置に正確に着弾させることが可能となる。また、前記各請求項に記載の発明と同様に、低電圧の静電電圧でメニスカスが大きく隆起するため、静電電圧印加手段により印加される静電電圧の電圧値を低下させることが可能となり、前記各請求項に記載の発明の効果をより有効に発揮することが可能となる。
【００６１】
請求項９および請求項１１に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上で吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に圧力発生手段により圧力を加えてノズルの吐出孔部分にメニスカスを隆起させ、それによりメニスカス先端部に電界集中により強い電界強度が生じて電界の静電吸引力によりメニスカスを引きちぎるようにして液滴化し、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。
【００６２】
そのため、前記各請求項に記載の発明の効果に加え、圧力発生手段による圧力でノズル内の液体を液滴化しなくても、十分にメニスカスを隆起させれば電界の静電吸引力によりメニスカスが引きちぎられるから、圧力発生手段に印加する駆動電圧をより低電圧とすることが可能となり、液体吐出装置の電力消費の軽減を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
以下、本発明に係る液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００６４】
図１は、本実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。なお、本発明の液体吐出ヘッド２は、いわゆるシリアル方式或いはライン方式等の各種の液体吐出装置に適用可能である。
【００６５】
本実施形態の液体吐出装置１は、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出するノズル１０が形成された液体吐出ヘッド２と、液体吐出ヘッド２のノズル１０に対向する対向面を有するとともにその対向面で液滴Ｄの着弾を受ける基材Kを支持する対向電極３とを備えている。
【００６６】
液体吐出ヘッド２の対向電極３に対向する側には、複数のノズル１０を有する樹脂製のノズルプレート１１が設けられている。液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート１１の対向電極３に対向する吐出面１２からノズル１０が突出されない、或いは前述したようにノズル１０が３０μｍ程度しか突出しないフラットな吐出面を有するヘッドとして構成されている（例えば、後述する図２（Ｄ）参照）。
【００６７】
本実施形態では、各ノズル１０は、ノズルプレート１１に穿孔されて形成されており、各ノズル１０には、それぞれノズルプレート１１の吐出面１２に吐出孔１３を有する小径部１４とその背後に形成されたより大径の大径部１５との２段構造とされている。ノズル１０の小径部１４および大径部１５は、それぞれ断面円形で対向電極側がより小径とされたテーパ状に形成されており、小径部１４の吐出孔１３の内部直径（以下、ノズル径という。）が１０μｍ、大径部１５の小径部１４から最も離れた側の開口端の内部直径が７５μｍとなるように構成されている。
【００６８】
なお、ノズル１０の形状は前記の形状に限定されず、例えば、図２（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、形状が異なる種々のノズル１０を用いることが可能である。また、ノズル１０は、断面円形状に形成する代わりに、断面多角形状や断面星形状等であってもよい。
【００６９】
ノズル１０の内周面１６には、ノズル１０内の液体Ｌがノズルプレート１１に吸収されることを防止する液体吸収防止層１７が形成されている。本実施形態では、液体吸収防止層１７は、ダイアモンドライクカーボン（Diamond Like Carbon）をプラズマイオンプレーティングによりノズル１０の小径部１４および大径部１５の内周面１６の全面に成膜することにより形成されている。
【００７０】
なお、液体吸収防止層１７は、ダイアモンドライクカーボンのほか、例えば、窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）や酸化シリコン（ＳｉＯＸ）等を用いて形成することも可能であり、成膜法としては、プラズマイオンプレーティングのほか、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やＦＣＶＡ（filtered Cathodic Vacuum Arc）蒸着法を用いることができる。
【００７１】
また、液体吸収防止層１７を構成する材質は、導電性を有していても或いは絶縁性であってもよいが、液体Ｌがノズルプレート１１に吸収されることを防止する機能を奏するものであることが必要である。
【００７２】
ノズルプレート１１の吐出面１２と反対側の面には、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなりノズル１０内の液体Ｌを帯電させるための帯電用電極１８が層状に設けられている。本実施形態では、帯電用電極１８は、ノズル１０の内周面１６に形成された前記液体吸収防止層１７上に延設され重層されている。
【００７３】
また、帯電用電極１８は、静電吸引力を生じさせる静電電圧を印加する静電電圧印加手段としての帯電電圧電源１９に接続されており、単一の帯電用電極１８がすべてのノズル１０内の液体Ｌに接触しているため、帯電電圧電源１９から帯電用電極１８に静電電圧が印加されると、全ノズル１０内の液体Ｌが同時に帯電され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間、特に液体Ｌと基材Ｋとの間に静電吸引力が発生されるようになっている。
【００７４】
本実施形態では、前述したように、各ノズル１０の内周面１６を被覆する液体吸収防止層１７の表面上に重層された帯電用電極１８が吐出孔１３まで延在しているため、帯電用電極１８への静電電圧の印加によりノズル１０内の液体Ｌを吐出孔１３付近および後述する吐出孔１３に形成される液体Ｌのメニスカスまで同時にかつ十分に帯電させることが可能とされている。
【００７５】
帯電用電極１８の背後には、ボディ層２０が設けられている。ボディ層２０の前記各ノズル１０の大径部１５の開口端に面する部分には、それぞれ開口端にほぼ等しい内径を有する略円筒状の空間が形成されており、各空間は、吐出される液体Ｌを一時貯蔵するためのキャビティ２１とされている。
【００７６】
ボディ層２０の背後には、可撓性を有する金属薄板やシリコン等よりなる可撓層２２が設けられており、可撓層２２により液体吐出ヘッド２が外界と画されている。
【００７７】
なお、ボディ層２０には、キャビティ２１に液体Ｌを供給するための図示しない流路が形成されている。具体的には、ボディ層２０としてのシリコンプレートをエッチング加工してキャビティ２１、共通流路、および共通流路とキャビティ２１とを結ぶ流路が設けられており、共通流路には、外部の図示しない液体タンクから液体Ｌを供給する図示しない供給管が連絡されており、供給管に設けられた図示しない供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置による差圧により流路やキャビティ２１、ノズル１０等の液体Ｌに所定の供給圧力が付与されるようになっている。
【００７８】
可撓層２２の外面の各キャビティ２１に対応する部分には、それぞれ圧力発生手段としての圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子２３が設けられており、ピエゾ素子２３には、素子に駆動電圧を印加して素子を変形させるための駆動電圧電源２４が接続されている。ピエゾ素子２３は、駆動電圧電源２４からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。なお、圧力発生手段は、本実施形態のような圧電素子アクチュエータのほかに、例えば、静電アクチュエータやサーマル方式等を採用することも可能である。
【００７９】
駆動電圧電源２４および帯電用電極１８に静電電圧を印加する前記帯電電圧電源１９は、それぞれ動作制御手段２５に接続されており、それぞれ動作制御手段２５による制御を受けるようになっている。
【００８０】
動作制御手段２５は、本実施形態では、ＣＰＵ２６やＲＯＭ２７、ＲＡＭ２８等が図示しないＢＵＳにより接続されて構成されたコンピュータからなっており、ＣＰＵ２６は、ＲＯＭ２７に格納された電源制御プログラムに基づいて帯電電圧電源１９および各駆動電圧電源２４を駆動させてノズル１０の吐出孔１３から液体Ｌを吐出させるようになっている。
【００８１】
なお、本実施形態では、液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１の吐出面１２には、吐出孔１３からの液体Ｌの滲み出しを抑制するための撥液層２９が吐出孔１３以外の吐出面１２の全面に設けられている。撥液層２９は、例えば、液体Ｌが水性であれば撥水性を有する材料が用いられ、液体Ｌが油性であれば撥油性を有する材料が用いられるが、一般に、ＦＥＰ(四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン)、ＰＴＦＥ(ポリテトラフロロエチレン)、フッ素シロキサン、フルオロアルキルシラン、アモルファスパーフルオロ樹脂等のフッ素樹脂等が用いられることが多く、塗布や蒸着等の方法で吐出面１２に成膜されている。なお、撥液層２９は、ノズルプレート１１の吐出面１２に直接成膜してもよいし、撥液層２９の密着性を向上させるために中間層を介して成膜することも可能である。
【００８２】
なお、本実施形態では、前述したノズル１０の内周面１６に形成された液体吸収防止層１７を延設してノズルプレート１１の吐出面１２の全面を被覆するように形成することも可能である。その場合には、撥液層２９は、図３に示すように、ノズルプレート１１の吐出面１２を被覆する液体吸収防止層上に成膜するようにして形成される。
【００８３】
液体吐出ヘッド２の下方には、基材Ｋを支持する平板状の対向電極３が液体吐出ヘッド２の吐出面１２に平行に所定距離離間されて配置されている。対向電極３と液体吐出ヘッド２との離間距離は、０．１〜３ｍｍ程度の範囲内で適宜設定される。
【００８４】
本実施形態では、対向電極３は接地されており、常時接地電位に維持されている。そのため、前記帯電電圧電源１９から帯電用電極１８に静電電圧が印加されると、ノズル１０の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電界が生じるようになっている。また、帯電した液滴Ｄが基材Ｋに着弾すると、対向電極３はその電荷を接地により逃がすようになっている。
【００８５】
なお、対向電極３または液体吐出ヘッド２には、液体吐出ヘッド２と基材Ｋとを相対的に移動させて位置決めするための図示しない位置決め手段が取り付けられており、これにより液体吐出ヘッド２の各ノズル１０から吐出された液滴Ｄは、基材Ｋの表面に任意の位置に着弾させることが可能とされている。
【００８６】
液体吐出装置１による吐出を行う液体Ｌは、例えば、無機液体としては、水、ＣＯＣｌ２、ＨＢｒ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｈ２ＳＯ４、ＳＯＣｌ２、ＳＯ２Ｃｌ２、ＦＳＯ３Ｈなどが挙げられる。
【００８７】
また、有機液体としては、メタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、２−メチル−１−プロパノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、４−メチル−２−ペンタノール、ベンジルアルコール、α−テルピネオール、エチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールなどのアルコール類；フェノール、ｏ−クレゾール、ｍ−クレゾール、ｐ−クレゾールなどのフェノール類；ジオキサン、フルフラール、エチレングリコールジメチルエーテル、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、エピクロロヒドリンなどのエーテル類；アセトン、メチルエチルケトン、２−メチル−４−ペンタノン、アセトフェノンなどのケトン類；ギ酸、酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸などの脂肪酸類；ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸−ｎ−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸−３−メトキシブチル、酢酸−ｎ−ペンチル、プロピオン酸エチル、乳酸エチル、安息香酸メチル、マロン酸ジエチル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、セロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、アセト酢酸エチル、シアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチルなどのエステル類；ニトロメタン、ニトロベンゼン、アセトニトリル、プロピオニトリル、スクシノニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、エチルアミン、ジエチルアミン、エチレンジアミン、アニリン、Ｎ−メチルアニリン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアニリン、ｏ−トルイジン、ｐ−トルイジン、ピペリジン、ピリジン、α−ピコリン、２，６−ルチジン、キノリン、プロピレンジアミン、ホルムアミド、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、アセトアミド、Ｎ−メチルアセトアミド、Ｎ−メチルプロピオンアミド、Ｎ，Ｎ，Ｎ'，Ｎ'−テトラメチル尿素、Ｎ−メチルピロリドンなどの含窒素化合物類；ジメチルスルホキシド、スルホランなどの含硫黄化合物類；ベンゼン、ｐ−シメン、ナフタレン、シクロヘキシルベンゼン、シクロヘキセンなどの炭化水素類；１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、１，１，１−トリクロロエタン、１，１，１，２−テトラクロロエタン、１，１，２，２−テトラクロロエタン、ペンタクロロエタン、１，２−ジクロロエチレン（ｃｉｓ−）、テトラクロロエチレン、２−クロロブタン、１−クロロ−２−メチルプロパン、２−クロロ−２−メチルプロパン、ブロモメタン、トリブロモメタン、１−ブロモプロパンなどのハロゲン化炭化水素類などが挙げられる。また、上記各液体を二種以上混合して用いてもよい。
【００８８】
さらに、高電気伝導率の物質（銀粉等）が多く含まれるような導電性ペーストを液体Ｌとして使用し、吐出を行う場合には、前述した液体Ｌに溶解又は分散させる目的物質としては、ノズルで目詰まりを発生するような粗大粒子を除けば、特に制限されない。
【００８９】
ＰＤＰ、ＣＲＴ、ＦＥＤなどの蛍光体としては、従来より知られているものを特に制限なく用いることができる。例えば、赤色蛍光体として、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ、ＹＯ３：Ｅｕなど、緑色蛍光体として、Ｚｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、ＢａＡｌ１２Ｏ１９：Ｍｎ、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）Ｏ・α−Ａｌ２Ｏ３：Ｍｎなど、青色蛍光体として、ＢａＭｇＡｌ１４Ｏ２３：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕなどが挙げられる。
【００９０】
上記の目的物質を記録媒体上に強固に接着させるために、各種バインダーを添加するのが好ましい。用いられるバインダーとしては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ニトロセルロース、酢酸セルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどのセルロースおよびその誘導体；アルキッド樹脂；ポリメタクリタクリル酸、ポリメチルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート・メタクリル酸共重合体、ラウリルメタクリレート・２−ヒドロキシエチルメタクリレート共重合体などの（メタ）アクリル樹脂およびその金属塩；ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド、ポリＮ，Ｎ−ジメチルアクリルアミドなどのポリ（メタ）アクリルアミド樹脂；ポリスチレン、アクリロニトリル・スチレン共重合体、スチレン・マレイン酸共重合体、スチレン・イソプレン共重合体などのスチレン系樹脂；スチレン・ｎ−ブチルメタクリレート共重合体などのスチレン・アクリル樹脂；飽和、不飽和の各種ポリエステル樹脂；ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂；ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのハロゲン化ポリマー；ポリ酢酸ビニル、塩化ビニル・酢酸ビニル共重合体などのビニル系樹脂；ポリカーボネート樹脂；エポキシ系樹脂；ポリウレタン系樹脂；ポリビニルホルマール、ポリビニルブチラール、ポリビニルアセタールなどのポリアセタール樹脂；エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合樹脂などのポリエチレン系樹脂；ベンゾグアナミンなどのアミド樹脂；尿素樹脂；メラミン樹脂；ポリビニルアルコール樹脂及びそのアニオンカチオン変性；ポリビニルピロリドンおよびその共重合体；ポリエチレンオキサイド、カルボキシル化ポリエチレンオキサイドなどのアルキレンオキシド単独重合体、共重合体及び架橋体；ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール；ポリエーテルポリオール；ＳＢＲ、ＮＢＲラテックス；デキストリン；アルギン酸ナトリウム；ゼラチン及びその誘導体、カゼイン、トロロアオイ、トラガントガム、プルラン、アラビアゴム、ローカストビーンガム、グアガム、ペクチン、カラギニン、にかわ、アルブミン、各種澱粉類、コーンスターチ、こんにゃく、ふのり、寒天、大豆蛋白などの天然或いは半合成樹脂；テルペン樹脂；ケトン樹脂；ロジン及びロジンエステル；ポリビニルメチルエーテル、ポリエチレンイミン、ポリスチレンスルフォン酸、ポリビニルスルフォン酸などを用いることができる。これらの樹脂は、ホモポリマーとしてだけでなく、相溶する範囲でブレンドして用いてもよい。
【００９１】
液体吐出装置１をパターンニング手段として使用する場合には、代表的なものとしてはディスプレイ用途に使用することができる。具体的には、プラズマディスプレイの蛍光体の形成、プラズマディスプレイのリブの形成、プラズマディスプレイの電極の形成、ＣＲＴの蛍光体の形成、ＦＥＤ（フィールドエミッション型ディスプレイ）の蛍光体の形成、ＦＥＤのリブの形成、液晶ディスプレイ用カラーフィルター（ＲＧＢ着色層、ブラックマトリクス層）、液晶ディスプレイ用スペーサー（ブラックマトリクスに対応したパターン、ドットパターン等）などを挙げることができる。
【００９２】
なお、リブとは一般的に障壁を意味し、プラズマディスプレイを例に取ると各色のプラズマ領域を分離するために用いられる。その他の用途としては、マイクロレンズ、半導体用途として磁性体、強誘電体、導電性ペースト（配線、アンテナ）などのパターンニング塗布、グラフィック用途としては、通常印刷、特殊媒体（フィルム、布、鋼板など）への印刷、曲面印刷、各種印刷版の刷版、加工用途としては粘着材、封止材などの本発明を用いた塗布、バイオ、医療用途としては医薬品（微量の成分を複数混合するような）、遺伝子診断用試料等の塗布等に応用することができる。
【００９３】
ここで、本発明の液体吐出ヘッド２における液体Ｌの吐出原理について本実施形態を用いて説明する。
【００９４】
本実施形態では、帯電電圧電源１９から帯電用電極１８に静電電圧を印加し、ノズル１０の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電界を生じさせる。また、駆動電圧電源２４からピエゾ素子２３に駆動電圧を印加してピエゾ素子２３を変形させ、それにより液体Ｌに生じた圧力でノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させる。
【００９５】
本実施形態のように、ノズルプレート１１の絶縁性が高くなると、図４にシミュレーションによる等電位線で示すように、ノズルプレート１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル１０の小径部１４の液体Ｌや液体Ｌのメニスカス部分に向かう強い電界が発生する。
【００９６】
特に、図４でメニスカスの先端部では等電位線が密になっていることから分かるように、メニスカス先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の静電力によってメニスカスが引きちぎられてノズル内の液体Ｌから分離されて液滴Ｄとなる。さらに、液滴Ｄは静電力により加速され、対向電極３に支持された基材Ｋに引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄは、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し正確に行われる。
【００９７】
このように、本発明の液体吐出ヘッド２における液体Ｌの吐出原理を利用すれば、フラットな吐出面を有する液体吐出ヘッド２においても、高い絶縁性を有するノズルプレート１１を用い、吐出面１２に対して垂直方向の電位差を発生させることで強い電界集中を生じさせることができ、正確で安定した液体Ｌの吐出状態を形成することができる。
【００９８】
発明者らが、電極間の電界の電界強度が実用的な値である１．５ｋＶ／ｍｍとなるように構成し、各種の絶縁体でノズルプレート１１を形成して下記の実験条件に基づいて行った実験では、ノズル１０から液滴Ｄが吐出される場合と吐出されない場合があった。
【００９９】
［実験条件］
ノズルプレート１１の吐出面１２と対向電極３の対向面との距離：１．０ｍｍ
ノズルプレート１１の厚さ：１２５μｍ
ノズル径：１０μｍ
静電電圧：１．５ｋＶ
駆動電圧：２０Ｖ
【０１００】
この実機による実験で、液滴Ｄがノズル１０から安定に吐出されたすべての場合について、メニスカス先端部の電界強度を求めた。実際には、メニスカス先端部の電界強度を直接測定することが困難であるため、電界シミュレーションソフトである「PHOTO-VOLT」（商品名、株式会社フォトン製）で電流分布解析モードによるシミュレーションにより算出した。その結果、すべての場合においてメニスカス先端部の電界強度は３×１０７Ｖ／ｍ（３０ｋＶ／ｍｍ）以上であった。
【０１０１】
また、前記実験条件と同様のパラメータを同ソフトに入力してメニスカス先端部の電界強度を演算した結果、図５に示すように、電界強度はノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗率に強く依存することが分かった。文献等では絶縁体または誘電体とされる物質の体積抵抗率は１０１０Ωｍ以上のものを指すことが多く、代表的な絶縁体として知られているボロシリケイトガラス（例えば、ＰＹＲＥＸ（登録商標）ガラス）の体積抵抗率は１０１４Ωｍである。
【０１０２】
しかし、このような体積抵抗率の絶縁体では、液滴Ｄは吐出されない。前記のように、ノズル１０から液滴Ｄを安定に吐出させるためにはメニスカス先端部の電界強度が３×１０７Ｖ／ｍ以上であることが必要であり、図５から、少なくともノズルプレート１１の体積抵抗率は１０１５Ωｍ以上であることが必要であることが分かった。
【０１０３】
ノズルプレート１１の体積抵抗率とメニスカス先端部の電界強度との関係が図５のような特徴的な関係になるのは、ノズルプレート１１の体積抵抗率が低いと、静電電圧を印加してもノズルプレート内で等電位線が図４に示したように吐出面１２に対して略垂直方向に並ぶような状態にはならず、ノズル内の液体Ｌおよび液体Ｌのメニスカスへの電界集中が十分に行われないためであると考えられる。
【０１０４】
理論上、体積抵抗率が１０１５Ωｍ未満のノズルプレート１１でも、静電電圧を非常に大きくすればノズル１０から液滴Ｄが吐出される可能性はあるが、電極間でのスパークの発生等により基材Ｋが損傷される可能性があるため、本発明では採用されない。
【０１０５】
なお、図５に示したようなメニスカス先端部の電界強度のノズルプレート１１の体積抵抗率に対する特徴的な依存関係は、ノズル径を種々に変化させてシミュレーションを行った場合でも同様に得られており、どの場合も体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上の場合にメニスカス先端部の電界強度が３×１０７Ｖ／ｍ以上になることが分かっている。また、前記実験条件中のノズルプレート１１の厚さとは、本実施形態の場合は、ノズル１０の小径部１４の長さと大径部１５の長さの和に等しい。
【０１０６】
一方、ノズル１０の内周面１６に液体吸収防止層１７を設けない場合には、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上の絶縁体を用いてノズルプレート１１を作製してもノズル１０から液滴Ｄが吐出されない場合がある。下記実施例１の表１に示すように、液体Ｌとして水などの導電性溶媒を含有する液体を用いた実験では、ノズルプレート１１の液体の吸収率が０．６％以下であることが必要であることが分かった。
【０１０７】
これは、ノズルプレート１１が液体Ｌ中から導電性溶媒を吸収すると導電性の液体である水分子等の分子が本体絶縁性であるノズルプレート１１内に存在することになるため、結果的にノズルプレート１１の電気伝導度が高くなり、特に液体Ｌに接する局部の実効的な体積抵抗率の値が低下し、図５に示す関係に従ってメニスカス先端部の電界強度が弱まり、液体Ｌの吐出に必要な電界集中が得られなくなるためと考えられる。
【０１０８】
しかし、下記実施例１に示すように、ノズル１０の内周面１６に液体吸収防止層１７を設けると、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上の絶縁体を用いたノズルプレート１１では、すべてのノズルプレート１１において、液体Ｌが吐出されることが分かった。これは、前記のように液体の吸収率が０．６％より大きなノズルプレート１１であっても、液体吸収防止層１７によりノズル１０内の液体Ｌに直接接することを防止されるため、液体吸収防止層１７を介して液体Ｌがノズルプレート１１に吸収されるとしても、その量はごく微量となる。
【０１０９】
そのため、液体Ｌの吸収率がある程度高いノズルプレート１１においてもその電気伝導度を高めるには至らず、ノズルプレート１１の体積抵抗率の値が低下しないため、図５に示した関係によりメニスカスに電界集中が効率良く生じ、メニスカス先端部の電界強度が十分に強まるためと考えられる。なお、下記実施例２に示すように、液体吸収防止層１７の厚さは０．１μｍ以上であれば、十分にその機能を奏することが分かっている。
【０１１０】
また、下記実施例１によれば、液体Ｌとして絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体を用いた場合には、ノズルプレート１１は、その液体に対する吸収率に係わりなく、また、液体吸収防止層１７を設けるか否かに係わりなく、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上であれば液体Ｌを吐出することが分かった。これは、絶縁性溶媒がノズルプレート１１内に吸収されても絶縁性溶媒の電気伝導度が低いためノズルプレート１１の電気伝導度が大きく変化せず、実効的な体積抵抗率が低下しないためであると考えられる。
【０１１１】
なお、前記絶縁性溶媒に分散されている帯電可能な粒子は、例えば、電気伝導度が極めて大きな金属粒子であっても液体吸収防止層１７には吸収されないため、ノズルプレート１１の電気伝導度を高めることはない。なお、前記絶縁性溶媒とは、単体では静電吸引力により吐出されない溶媒をいい、具体的には、例えば、キシレンやトルエン、テトラデカン等が挙げられる。また、導電性溶媒とは、電気伝導度が１０−１０Ｓ／ｃｍ以上の溶媒をいう。
【０１１２】
また、前記シミュレーションにおいて、ノズルプレート１１の厚さを変化させた場合およびノズル径を変化させた場合のメニスカス先端部の電界強度を、図６および図７にそれぞれ示す。この結果から、メニスカス先端部の電界強度は、ノズルプレート１１の厚さおよびノズル径にも依存し、それぞれ７５μｍ以上および１５μｍ以下であることが好ましい。なお、ノズルプレート１１の厚さおよびノズル径の前記適正範囲は、下記実施例３に示すように実機による実験でも確認されている。
【０１１３】
メニスカス先端部の電界強度がノズルプレート１１の厚さに依存する理由としては、ノズルプレート１１の厚さがより厚くなることで、ノズル１０の吐出孔１３と帯電用電極１８との距離が遠くなり、ノズルプレート内の等電位線が略垂直方向に並び易くなるためメニスカス先端部への電界集中が生じ易くなることが考えられる。
【０１１４】
また、ノズル径が小径になることで、メニスカスの径が小さくなり、より小径となったメニスカス先端部に電界が集中することで電界集中の度合が大きくなる。そのため、メニスカス先端部の電界強度が強くなると考えられる。
【０１１５】
なお、図６に示したノズルプレート１１の厚さとメニスカス先端部の電界強度との関係および図７に示したノズル径とメニスカス先端部の電界強度との関係は、本実施形態のような小径部１４および大径部１５よりなる２段構造のノズル１０の場合のみならず、１段構造、すなわち、単純なテーパ状のノズルや円筒状のノズル、或いは多段構造のノズルの場合も同様のシミュレーション結果が得られている。
【０１１６】
さらに、前記シミュレーションにおいて、小径部１４および大径部１５の区別がないテーパ状または円筒状の１段構造のノズル１０において、ノズル１０のテーパ角を変化させた場合のメニスカス先端部の電界強度の変化を図８に示す。この結果から、メニスカス先端部の電界強度は、ノズル１０のテーパ角に依存することが分かる。ノズル１０のテーパ角は３０°以下であることが好ましい。なお、テーパ角とはノズル１０の内面とノズルプレート１１の吐出面１２の法線とがなす角のことをいい、テーパ角が０°の場合はノズル１０が円筒形状であることに対応する。
【０１１７】
次に、本実施形態の液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１の作用について説明する。
【０１１８】
図９は、本実施形態の液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する図である。本実施形態では、液体吐出装置１の動作制御手段２５は、帯電電圧電源１９から帯電用電極１８に一定の静電電圧ＶＣを印加させる。これにより、液体吐出ヘッド２の各ノズル１０には常時一定の静電電圧ＶＣが印加され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間に電界が生じる。
【０１１９】
また、動作制御手段２５は、液滴Ｄを吐出させるべきノズル１０ごとに、そのノズル１０に対応する駆動電圧電源２４からピエゾ素子２３に対してパルス状の駆動電圧ＶＤを印加させる。このような駆動電圧ＶＤが印加されると、ピエゾ素子２３が変形してノズル内部の液体Ｌの圧力を上げ、ノズル１０の吐出孔１３では、図中Ａの状態からメニスカスが隆起し始め、Ｂのようにメニスカスが大きく隆起した状態となる。
【０１２０】
すると、前述したように、メニスカス先端部に高度な電界集中が生じて電界強度が非常に強くなり、メニスカスに対して前記静電電圧ＶＣにより形成された電界から強い静電力が加わる。この強い静電力による吸引とピエゾ素子２３による圧力とにより図中Ｃのようにメニスカスが引きちぎられて液滴Ｄが形成される。液滴Ｄは、電界で加速されて対向電極方向に吸引され、対向電極３に支持された基材Ｋに着弾する。
【０１２１】
その際、液滴Ｄには空気の抵抗等が加わるが、前述したように、静電力の作用で液滴Ｄはより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾方向がぶれることなく安定し、基材Ｋに正確に着弾する。
【０１２２】
本実施形態では、帯電電圧電源１９から帯電用電極１８に印加される一定の静電電圧ＶＣは１．５ｋＶに設定されており、駆動電圧電源２４からピエゾ素子２３に印加されるパルス状の駆動電圧ＶＤは２０Ｖに設定されている。
【０１２３】
なお、ピエゾ素子２３に印加する駆動電圧ＶＤとしては、本実施形態のようにパルス状の電圧とすることも可能であるが、この他にも、例えば、電圧が漸増した後漸減するいわば三角状の電圧や、電圧が漸増した後一旦一定値を保ちその後漸減する台形状の電圧、或いはサイン波の電圧を印加するように構成することも可能である。また、図１０（Ａ）に示すように、ピエゾ素子２３に常時電圧ＶＤを印加しておいて一旦切り、再度電圧ＶＤを印加してその立ち上がり時に液滴Ｄを吐出させるようにしてもよい。また、図１０（Ｂ）、（Ｃ）に示すような種々の駆動電圧ＶＤを印加するように構成してもよく適宜決定される。
【０１２４】
以上のように、本実施形態の液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１によれば、液体吐出ヘッド２は、フラットな吐出面１２を有するヘッドとされているため、図示を省略するが、液体吐出ヘッド２のクリーニング時に吐出面１２にブレードやワイパ等の部材が接触してもノズル１０が損傷する等の事態が生じることがなく、操作性に優れる。
【０１２５】
また、液体吐出ヘッド２の製造においてノズル１０の突起等の微細構造を形成する必要がなく構造が単純であるから、容易に製造することが可能で生産性に優れる。
【０１２６】
さらに、ノズル１０の内周面１６に液体吸収防止層１７を設けることにより、ノズルプレート１１がノズル１０内の液体Ｌに直接接することが防止され、液体吸収防止層１７によりノズルプレート１１へのノズル１０内の液体Ｌの吸収が有効に阻止される。そのため、液体Ｌの吸収率がある程度高いノズルプレート１１であってもその電気伝導度を高めるには至らず、ノズルプレート１１の体積抵抗率の値が１０１５Ωｍ未満に低下することを防止することができ、メニスカスに電界集中を効率良く生じさせることができる。
【０１２７】
その結果、液体Ｌの吸収率がある程度高いノズルプレート１１においても帯電用電極１８に印加する静電電圧が１．５ｋＶ程度の低い電圧でピエゾ素子２３の変形によりノズル１０の吐出孔部分に形成される液体Ｌのメニスカスに電界を十分に集中することができ、メニスカスの先端部の電界強度を液滴Ｄが安定的に吐出される３×１０７Ｖ／ｍ以上とすることが可能となる。
【０１２８】
このように、本実施形態の液体吐出ヘッド２は、フラットなヘッドでありながら、ノズルが突出されたヘッドと同様の電界集中をメニスカス先端部に効果的に生じさせることができるため、低電圧の静電電圧の印加でも効率良くかつ正確に液体を吐出することが可能となる。
【０１２９】
なお、本実施形態では、ピエゾ素子２３の変形により形成されたメニスカスを静電吸引力で分離して液滴化し、静電電圧ＶＣによる電界で加速して基材Ｋに着弾させる構成としているが、この他にも、例えば、ピエゾ素子２３の変形による圧力のみで液体Ｌが液滴化する程度の強い駆動電圧を印加するように構成することも可能である。
【０１３０】
また、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせ、ノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成する圧力発生手段としてピエゾ素子２３の変形を用いる場合について示したが、圧力発生手段はこの機能を有するものであればよく、この他にも、例えば、ノズル１０やキャビティ２１の内部の液体Ｌを加熱するなどして気泡を生じさせ、その圧力を用いるように構成することも可能である。
【０１３１】
また、本実施形態では、対向電極３を接地する場合について述べたが、例えば、電源から対向電極３に電圧を印加して、帯電用電極１８との電位差が１．５ｋＶ等の所定の電位差になるようにその電源を動作制御手段２５で制御するように構成することも可能である。
【実施例】
【０１３２】
［実施例１］
本実施形態の液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１を種々の材料を用いて実際に作製し、ノズル１０の吐出孔１３から液滴Ｄが吐出されるか否かを基材Ｋに吐出させて確認した。
【０１３３】
液体吐出ヘッド２の構成は、前記実験条件と同様の条件で作製し、ノズル１０のテーパ角は４°で小径部１４と大径部１５とが連続した１段構造とした。また、図１に示したように、ノズル１０の内周面１６をプラズマイオンプレーティングにより厚さ０．２μｍになるようにダイアモンドライクカーボンで被覆した。
【０１３４】
また、液体Ｌ１は、水５２重量％、エチレングリコールおよびプロピレングリコールをそれぞれ２２重量％、染料（ＣＩアシッドレッド１）３重量％、界面活性剤１重量％含有する導電性の液体として調製し、液体Ｌ２は、エタノールに染料（同上）を３重量％含有する導電性の液体として調整し、液体Ｌ３は、テトラデカンにＡｇ粒子を分散させ、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体として調製した。
【０１３５】
なお、体積抵抗率は、ＪＩＳＣ２１５１に準拠し、シート状被測定物の面間に電圧を印加した場合の電気抵抗値より算出した。また、ノズルプレート１１の液体の吸収率は、２３℃の使用対象である液体Ｌにノズルプレート１１または代用のシート状被測定物を２４時間浸漬し、浸漬前後のノズルプレート１１または被測定物の重量変化率より算出した。液体Ｌが水溶性インクである場合には、ＡＳＴＭＤ５７０に準拠した吸水率で代用することも可能である。
【０１３６】
前記液体Ｌ１〜Ｌ３に対する実験結果は下記の表１のようになった。なお、表１の吸収率の欄は、上段が水に対する吸収率（吸水率）、下段がエタノールに対する吸収率を表している。また、吐出の有無の後の「あり」は液体吸収防止層１７を設けた場合を示し、「なし」は参照実験として液体吸収防止層１７を設けない場合を示している。
【０１３７】
【表１】
2006181926.tif 000003
【０１３８】
表１の結果から、液体Ｌ１や液体Ｌ２のように導電性溶媒を含有する場合、液体の吸収率が低くても体積抵抗率が１０１５Ωｍ未満の材料ではノズル１０から液体Ｌは吐出されないことが分かる。これは、前記シミュレーションによる結果と同じ結果を示している。また、参照実験においては体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上の材料であっても吸収率が０．６％より大きいと液体Ｌが吐出されない場合があるが、ノズル１０の内周面１６に液体吸収防止層１７を設けた場合には、ノズルプレート１１の体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上であれば、すべてのノズルプレート１１において液体Ｌが吐出されることが分かる。
【０１３９】
なお、液体Ｌ３のように絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体を吐出する場合には、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上の材料であればすべてノズル１０から液体が吐出され得ることが分かる。
【０１４０】
［実施例２］
次に、液体吸収防止層１７の厚さを種々変えたノズルプレート１１を作製し、前記液体Ｌの吐出の有無を基材Ｋに吐出させて確認した。
【０１４１】
実験結果は下記の表２のようになった。なお、ノズルプレート１１は表１に記載されているポリイミド（ユーピレックス−Ｓ（宇部興産株式会社製））を用いて形成し、液体には液体Ｌ１および液体Ｌ２を用いた。
【０１４２】
【表２】
2006181926.tif 000004
【０１４３】
表２の結果から、液体吸収防止層１７の厚さは、０．１μｍ以上であれば液体Ｌ１が吐出されることが分かる。これは、液体吸収防止層１７を構成する材質自体が液体Ｌ１を吸収し難い材質を用いており、液体吸収防止層１７が０．１μｍ以上の厚さがあれば、液体Ｌ１が液体吸収防止層１７を介してノズルプレート１１に到達することを十分に阻止し得ることを意味している。
【０１４４】
液体吸収防止層１７として窒化酸化シリコンや酸化シリコンを用いた場合も同様の結果が得られ、ノズルプレート１１の材質としてポリイミド（カプトン１００ＣＢ（東レ・デュポン株式会社製））を用いた場合も同じ結果が得られた。なお、液体吸収防止層１７の厚さを１．０μｍ以上にすると、層がひび割れを生じ、液体が吐出されなくなる場合があることが分かっている。
【０１４５】
［実施例３］
本実施形態の液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１の厚さおよびノズル径を種々変えて作製し、前記液体Ｌ１の吐出の有無を基材Ｋに吐出させて確認した。また、参照実験として、液体Ｌ１の吐出が確認されなかった条件で静電電圧を３．０ｋＶにして吐出の有無を確認した。
【０１４６】
実験結果は下記の表３のようになった。なお、ノズルプレート１１は表１に記載されているポリエチレンテレフタレート（ルミラー（東レ株式会社製））を用いて形成した。
【０１４７】
【表３】
2006181926.tif 000005
【０１４８】
表３の結果から、ノズルプレート１１の厚さが１２５μｍの場合の結果を比較すると、ノズル径は１５μｍ以下であることが好ましいことが分かる。また、ノズル径を１５μｍとした場合の結果を比較すると、ノズルプレート１１の厚さは７５μｍ以上であることが好ましいことが分かる。なお、液体が吐出されなかった条件で静電電圧を３．０ｋＶとしたところ、この場合は、液体が吐出された。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】本実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】形状が異なるノズルの変形例を示す図である。
【図３】ノズルプレートの吐出面に形成された液体吸収防止層および撥液層を示す断面図である。
【図４】シミュレーションによるノズルの吐出孔付近の電位分布を示す模式図である。
【図５】メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの体積抵抗率との関係を示す図である。
【図６】メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの厚さとの関係を示す図である。
【図７】メニスカス先端部の電界強度とノズル径との関係を示す図である。
【図８】メニスカス先端部の電界強度とノズルのテーパ角との関係を示す図である。
【図９】本実施形態の液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御の一例を示し、駆動制御とメニスカスの動きとの関係を説明する図である。
【図１０】ピエゾ素子に印加する駆動電圧の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１  液体吐出装置
２  液体吐出ヘッド
３  対向電極
１０  ノズル
１１  ノズルプレート
１２  吐出面
１３  吐出孔
１６  内周面
１７  液体吸収防止層
１９  帯電電圧電源
２１  キャビティ
２３  ピエゾ素子
２４  駆動電圧電源
２５  動作制御手段
２９  撥液層
Ｌ  液体
【図１】
2006181926.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006181926.tif 000010
【図６】
2006181926.tif 000011
【図７】
2006181926.tif 000012
【図８】
2006181926.tif 000013
【図９】
2006181926.tif 000014
【図１０】
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